當(dāng)前，國內(nèi)印染廢水的處理普遍采用生化法。但隨著日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺，對印染廢水的深度處理已勢在必行〔1〕。目前，對印染廢水的深度處理大多集中在強化絮凝、高級氧化、強化生物處理、膜分離等方面，以去除印染生化尾水中殘存的污染物。其中，物化法雖然可達(dá)到較好的處理效果，但運行費用較高，難以推廣〔2, 3〕;強化生物處理則可能存在尾水中殘存污染物因接近傳統(tǒng)生物處理的極限而使處理效果有限的問題。大量研究表明，沉水植物具有吸收水中氮、磷等物質(zhì)的作用〔4, 5〕，并可提高水體透明度〔6〕，增加水體溶解氧〔7〕，防止水質(zhì)惡化和藻類滋生〔8, 9〕，該類植物已廣泛應(yīng)用于改善水環(huán)境質(zhì)量的生態(tài)修復(fù)。
印染生化尾水的透明度低，水下光照強度較弱，不利于沉水植物的生長，直接應(yīng)用沉水植物凈化有困難。設(shè)置水下人工光源補光或許是一種可行的解決方法。已有研究表明，人工光源可以對陸生植物的生長發(fā)育〔10〕、光合特性〔11, 12〕、抗逆和衰老〔13〕等產(chǎn)生較大影響。其中，可通過調(diào)控光質(zhì)使人工光源的光譜與植物光合作用的光譜的吸收峰值吻合，實現(xiàn)光合作用最大化，促進植物生長。但到目前為止，未見采用人工光源強化沉水植物的生長和處理印染生化尾水的報道。筆者研究了紅光、藍(lán)光、白光3種人工光源于晚間補光3 h條件下，金魚藻和苦草2種典型沉水植物對印染廢水生化尾水中色度、總磷及氨氮的去除效果，取得了較滿意的結(jié)果。
1 實驗
1.1 實驗裝置
實驗裝置如圖 1所示。
?圖 1 實驗裝置示意
該實驗裝置由不透光的塑料桶(半徑25 cm，高70 cm)、2 L量筒(半徑9 cm，高50 cm)、人工光源(LED燈管)和定時器組成。人工光源垂直安裝在不透光的塑料桶中央，并與定時器相連，由定時器控制人工光源的啟閉時間。
1.2 實驗材料
沉水植物：金魚藻和苦草，采自南京師范大學(xué)仙林校區(qū)采月湖。實驗挑選生長狀態(tài)良好的成熟植株，根、莖、葉、嫩芽齊全且性狀統(tǒng)一。將實驗所用沉水植物清洗干凈，用自來水在實驗條件下進行1周的適應(yīng)性培養(yǎng)。
實驗光源：3種LED光源。紅光，光譜范圍620~770 nm;白光，光譜范圍390~780 nm;藍(lán)光，光譜范圍420~500 nm。功率為9 W，燈管長度45 cm。
實驗水樣：某印染園區(qū)的生化尾水，其水質(zhì)：NH4+-N 7.0～8.5 mg/L，TP 1～2 mg/L，色度 35～40倍，COD 80～100 mg/L，BOD5 25～30 mg/L，SS 70～75 mg/L，pH 7.0～7.8。
1.3 實驗方法
取實驗水樣2 L置于量筒中，以紗布包裹石子，并用尼龍繩將其與沉水植物的植株根部輕輕纏繞在一起后，緩緩沉入水樣中，使沉水植物呈直立狀 ，如圖 1所示。實驗共設(shè)4組，分別為補紅光組、補藍(lán)光組、補白光組和作為對照的無補光組。每組由4個量筒組成，設(shè)平行樣，2個量筒種植金魚藻，2個量筒種植苦草。日間，將實驗量筒置于窗臺邊，接受自然光照;晚間，分別將它們放回不透光且安裝有人工光源的塑料桶中，補光3 h(19：00~22：00)。實驗周期為2周，實驗中每日定時添加蒸餾水來補充蒸發(fā)的水分。實驗開始后，分別在第3、5、7、9、11、13、15 天采集水樣，分析色度、TP、NH4+-N等水質(zhì)指標(biāo)，并在實驗開始和實驗結(jié)束時，分別測定植物鮮重。
色度采用分光光度法測定〔14〕;總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)測定;氨氮采用納氏試劑比色法(GB 7479—1987)測定;植物鮮重通過先吸干植株表面的水分，然后用天平測定。
2 實驗結(jié)果分析
2.1 對印染生化尾水色度的去除效果
3種人工光源補光條件下，金魚藻和苦草對印染生化尾水中色度的去除效果如圖 2所示。
?圖 2 不同人工光源補光條件下金魚藻和苦草對色度的去除效果
(a)金魚藻(b)苦草
由圖 2(a)可知，補光可顯著促進金魚藻對印染生化尾水中色度的去除效果。其中，當(dāng)停留時間為5 d時，紅光補光的金魚藻可將印染生化尾水色度從40倍降至8倍左右，色度去除率達(dá)到80.0%左右。由圖 2(b)可知，當(dāng)停留時間為5 d時，在各種人工光源補光條件下，苦草均可將印染生化尾水色度從40倍降至31倍左右，色度去除率僅為22.5%，補光可略微提高苦草去除水體色度的效果，但光質(zhì)之間的差異不顯著。
對比圖 2(a)和圖 2(b)可以看出，金魚藻對色度的降低要明顯優(yōu)于苦草，主要原因在于：一方面，苦草系寬葉沉水植物，金魚藻系細(xì)葉沉水植物，后者的比表面積大，與水的接觸面積較大，有利于物質(zhì)的傳遞吸收;另一方面，金魚藻為典型喜光陽性植物，生長速度較快，苦草為典型喜陰植物，生長速度比金魚藻慢，使得苦草對水中物質(zhì)的吸收較金魚藻少。由此可見，補光對促進喜陽植物的污水脫色效果明顯。
2.2 對印染生化尾水總磷的去除效果
3種人工光源補光條件下，金魚藻和苦草對印染生化尾水中TP的去除效果如圖 3所示。
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圖 3 不同人工光源補光條件下金魚藻和苦草對TP的去除效果
(a)金魚藻(b)苦草
由圖 3(a)可知，各種人工光源補光條件下，金魚藻對印染生化尾水中的TP均有良好的去除效果，且明顯優(yōu)于不補光的效果。當(dāng)停留時間為5 d時，補紅光、補藍(lán)光、補白光和無補光條件下，金魚藻可將TP由初始的1.50 mg/L分別降為0.11、0.32、0.42、0.82 mg/L，TP去除率分別為92.6%、78.6%、72.1%、45.3%，處理效果整體表現(xiàn)為補紅光>補藍(lán)光>補白光>無補光。
由圖 3(b)可知，當(dāng)停留時間為5 d時，補紅光、補藍(lán)光、補白光和無補光條件下，苦草可將TP由初始的1.50 mg/L分別降為1.03、1.16、1.26、1.32 mg/L，TP去除率分別為31.3%、22.6%、16%和12%，處理效果整體表現(xiàn)為補紅光>補藍(lán)光>補白光>無補光。
與金魚藻相比，苦草的TP去除率較低，主要原因也在于相對于金魚藻，苦草的比表面積較小及生長速度較慢。
2.3 對印染生化尾水氨氮的去除效果
3種人工光源補光條件下，金魚藻和苦草對印染生化尾水中NH4+-N的去除效果如圖 4所示。
?圖 4 不同人工光源補光條件下金魚藻和苦草對NH4+-N的去除效果
(a)金魚藻(b)苦草
由圖 4(a)可知，各種人工光源補光條件下，金魚藻對印染生化尾水中的NH4+-N均有良好的去除效果，且略優(yōu)于不補光的效果，其中，補紅光的金魚藻對NH4+-N去除速度最快。當(dāng)停留時間為5 d時，補紅光、補藍(lán)光、補白光和無補光條件下，金魚藻可將NH4+-N由初始的8.00 mg/L分別降為1.83、2.68、3.26、4.08 mg/L，NH4+-N去除率分別為77.1%、66.5%、59.2%和48.9%，處理效果整體表現(xiàn)為補紅光>補藍(lán)光>補白光>無補光。
由圖 4(b)可知，當(dāng)停留時間為5 d時，補紅光、補藍(lán)光、補白光和無補光條件下，苦草可將NH4+-N由初始的8.00 mg/L分別降至4.66、5.36、5.48、5.94 mg/L，NH4+-N去除率分別為41.8%、33.0%、31.5%和25.8%，處理效果整體亦表現(xiàn)為補紅光>補藍(lán)光>補白光>無補光。
與金魚藻相比，苦草的NH4+-N去除率較低。
2.4 各種光源條件下的沉水植物鮮重凈增量
在停留時間為15 d的實驗結(jié)束時，各種人工光源條件下，金魚藻及苦草的鮮重凈增量見圖 5。
?圖 5 不同人工光源補光條件下金魚藻和苦草鮮重凈增量
由圖 5可知，采用人工光源補光的金魚藻和苦草的鮮重凈增量均高于無補光條件下的鮮重凈增量，各種人工光源補光對沉水植物鮮重凈增量的作用大小依次為補紅光>補藍(lán)光>補白光>無補光 。實驗結(jié)果表明，采用人工光源補光促進了金魚藻和苦草的生長，其中，紅光和藍(lán)光的促進生長作用更加明顯。這也印證了植物光合作用主要以波長610～720 nm的紅、橙光以及波長400~510 nm的藍(lán)、紫光為吸收峰值區(qū)域〔15〕。
此外，同樣在補紅光條件下，金魚藻的鮮重增加量達(dá)到17.2 g，苦草鮮重增加量只有5.1 g，說明在光照充足的條件下，喜光陽性植物金魚藻(光飽和點1 000 μmol·s/m2)的生長速度較快，喜陰植物苦草(光飽和點200 μmol·s/m2)的生長速度比金魚藻慢〔16〕。由于人工光源促進了沉水植物的生長，進而強化了其對水中污染物質(zhì)的吸收。具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)人工光源補光條件下，金魚藻和苦草對印染生化尾水中色度、TP和NH4+-N的去除效果均優(yōu)于無補光組，表明人工光源補光對沉水植物的凈化效果具有強化作用。
(2)不同人工光源補光對沉水植物鮮重凈增量的作用大小依次為補紅光>補藍(lán)光>補白光>無補光，與凈化效果一致，表明不同光譜的光源對沉水植物的生長促進作用效果不同。紅光和藍(lán)光由于與沉水植物光合作用的光譜吸收峰值較吻合，其促進沉水植物生長的作用更加明顯，更加強化了對水中污染物質(zhì)的吸收。
(3)紅光輔助金魚藻的凈化處理效果最好，當(dāng)停留時間為5 d時，可將印染生化尾水的色度從40倍降至8倍左右，TP從1.50 mg/L降為0.11 mg/L，NH4+-N從8.00 mg/L降為1.83 mg/L，色度、TP、NH4+-N去除率分別達(dá)到80.0%、92.6%和77.1%，處理出水達(dá)到地表水環(huán)境V類水標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)。
